[实用新型]一种质子交换膜燃料电池的阴极结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池，更具体的说，本实用新型涉及一种对现有的质子交换膜燃料电池阴极结构的技术改进。

背景技术

传统的化石能源，在使人类社会得到巨大变革的同时，也带来了严重的环境污染问题。为解决这一问题，近年来国内外的相关研究也日益增多。

应运而生的质子交换膜燃料电池，以氢气和氧气为原料，其最大的特点就是无污染，并且具有工作温度低、能量密度高、启动快、噪声低等优点，有希望广泛应用于便携式电源、电动汽车等领域，其市场前景可观。

图1示意了现有的质子交换膜燃料电池的阴极结构，该阴极结构由设置有流道1的流场板2和设置在所述流场板2下部的膜电极3构成，所述的膜电极3是由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜热压而成的三合一组件。当向所述流场板2的阳极通入氢气并向其阴极通入氧气或者空气时，即可使电池工作并产生电流，同时发生化学反应生成水并放出热量。其化学反应方程式为：

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O。

图2示意了现有的燃料电池其阴极空气中氧气浓度沿阴极流道变化的情况，它表明电池阴极的氧气浓度将在阴极流道的长度方向上越来越低。

参照图1、图2，所述流场板2上的流道1与空气进入电池阴极的方向均为平直方向（如图1中的箭头所示），这样的进气方式将使进入流场的空气沿所述的流道1平掠过气体扩散层的表面并进入膜电极3，在此过程中，电池阴极的氧气浓度将由于各种损失的影响如图2所示的那样沿流道1的长度方向越来越低，并使反应生成的水分逐渐积累在所述的流道1中。

一般而言，理想情况下的质子交换膜燃料电池的电压为1.2V左右，但在实际使用中，由于活化损失、欧姆损失、传质损失和内部短路电流这四个决定性的且不可逆转的因素存在，往往达不到这个数值。

又由于氧气的浓度会直接影响着PEM燃料电池内部的电化学反应速率[1]，所以，当以空气作为氧化剂提供给燃料电池阴极反应所需的氧气时，随着化学反应的产生会自然的消耗掉部分氧气，自然会使阴极方向上的氧气浓度逐渐降低，从而造成反应气体浓度的分布不均。根据Tafel公式，对于氧的还原反应，局部的电流密度与参与反应的氧气浓度(氧气分压)成正比[2]，那么，氧气分布的不均匀性也就直接阻碍了燃料电池性能的提高。

另一方面，由于阴极反应生成的水会逐渐积累在流道中，很容易堵塞气体扩散层的空隙，也因此直接阻碍了氧气的扩散，以至进一步加剧燃料电池下游的反应阻力。

[1]周方.PEM燃料电池的流场设计[J].武汉理工大学学报.2011,33(3):414-417.

[2]吴金峰,衣宝廉等.直通道流场PEMFC电流密度分布测定实验[J].化工学报.2004,55(5):837-841.

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题，就是克服现有的质子交换膜燃料电池所存在的以上缺陷，并为此提供一种新型的质子交换膜燃料电池的阴极结构，该阴极结构的设置方式改变了传统燃料电池的阴极进气方式，可使流道各处的氧气浓度趋于均匀，从而达到降低阴极传质损失、提高电池性能的技术目的。

本实用新型的技术方案是：

一种质子交换膜燃料电池的阴极结构，包括流场板和设置在所述流场板下部的膜电极，所述流场板接触膜电极的一面设置有流道，其另外一面设置有凹槽，所述的流道与凹槽通过若干个圆孔相连通。

所述的流场板为两面对称的结构，其接触膜电极的一面所设置的流道为间隔均匀的若干个，其另外一面则设置有与若干个所述流道位置对应的凹槽。

所述流场板的截面结构为梯形齿状，其接触膜电极的一面以其凹向另外一面的梯形齿状形成流道，其另外一面则以凹向膜电极一面的梯形齿状形成与所述流道两边相邻的凹槽。

所述的圆孔沿阴极空气输送的方向按直径逐渐增大的顺序排列在以其相连通的流道和凹槽上。

本实用新型通过改变空气进入阴极流道的方向以及阴极空气与膜电极中气体扩散层之间的对流方式，加强了空气向膜电极催化剂层的扩散，相比于现有技术，其有益效果在于：使阴极流道内各处的氧气浓度分布趋于均匀，也使局部电流的分布状态得到改善，从而有效的提高了电池的工作性能。

附图说明

图1是现有的质子交换膜燃料电池阴极结构的示意图。